CN108559835B - 一种激光加工滚珠轴承外滚道的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光冲击强化装置领域，特指一种激光加工滚珠轴承外滚道的装置和方法。装置包括激光器、信号线、控制器、光斑调整单元、机械手A、摄像机、镜头、夹具、机械手B、45°全反镜；本发明使用发散透镜使照射到曲面滚道的光斑强度均匀，使用摄像头实时监控光斑形状和大小，严格控制功率密度，提供了一种均匀加工曲面滚道的方法，此方法受曲面大小限制较小，具有设备制造成本低的优点。

Description

一种激光加工滚珠轴承外滚道的装置和方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化装置领域，特指一种通过监控光斑参数利用发散光线实现对内凹圆弧弯曲面进行均匀激光加工的装置。

背景技术

做接触摩擦运动的工件由于表面长期受到接触交变应力的作用，表面将逐渐收到疲劳腐蚀而产生裂纹。裂纹产生后，在接下来的工作中会随着时间的推移向周围扩大裂纹，致使表面产生较大的疲劳损坏。因此，在金属生产、工程建筑、船舶制造等与金属工件的接触作业使用频繁的行业，提高其抗接触疲劳性能与延长接触疲劳寿命一直是重大问题。特别是一些以接触运动为主的零件如轴承等，不规则接触表面加工难度大，难以有效的提高接触疲劳寿命。传统的提高接触疲劳寿命的方法包括热处理、机械喷丸和滚压的方法虽然具有较好的效果，但是难以实现不规则表面以及难处理的死角处的加工，尤其是轴承滚到这种曲面甚至球轴承的外滚道这种曲率为负的表面。这给生产工作带来了困难，实现过程复杂，耗费较大，加工效率低，难以实现规则表面相同的加工效果。

激光冲击是时下一种比较流行的能够改善金属零件表面接触疲劳性能的方法，具有适用范围广、不损伤基材表面、清洁度高、运行成本低、对环境无污染、加工灵活性高的一系列优点，在设备维修保养方面具有良好的应用前景。申请号为200910265427.3的中国发明专利申请公布了一种用于轧辊激光毛化机床聚焦主动无序装置及方法，适用于管状材料外表面的激光冲击无序化均匀加工，但其使用的斩光盘和扰动器的方法对较小的曲面零件加工较困难。申请号为201210194974.4的中国发明专利申请公布了一种多头激光无序毛化轧辊表面的加工方法和加工设备，相比上一个专利，使用多个激光器产生相配合的激光冲击路径的方法做到轧辊零件表面的无序化均匀加工。以上两个发明专利申请虽然对激光冲击均匀加工曲面的技术进行了一定的突破，但使用的对象和范围局限性较大，难以对小型或微型管状金属壁进行加工，其次是无法对曲率为负的管状材料内部进行均匀加工，若要实现则需要管材夹具和进给装置等更多装置完善，增大了设备的制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光加工滚珠轴承外滚道的装置，实现滚珠轴承外滚道的均匀强化。

一种激光加工滚珠轴承外滚道的装置，其特征在于包括：激光器、信号线、控制器、光斑调整单元、机械手A、摄像机、镜头、夹具、机械手B、45°全反镜，光斑调整单元包括光斑整形装置、会聚透镜、发散透镜A、发散透镜B；激光器发出的激光束经光斑整形装置、会聚透镜、发散透镜A、45°全反镜、发散透镜B照射在轴承底部的滚道表面。

45°全反镜同时位于轴承中心处，与夹具平面呈45°放置，摄像机位于轴承侧方上空，镜头正对激光光斑照射位置，可观测激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置，摄像机与机械手A相连，发散透镜B位于45°全反镜与轴承底部之间，水平放置，和轴承轴线垂直；轴承安装在夹具上，夹具竖直放置，与机械手B相连；轴承上端和轴承底部安装在夹具上，机械手B通过信号线与控制器相连，可调整机械手B的位置来调整激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置的范围；控制器通过信号线控制机械手A可改变摄像机的位置使镜头始终能观察激光光斑全貌。

所述发散透镜B的上方焦距位置与轴承底部的滚道面曲率圆心位置重合。

所述光斑整形装置通过信号线与控制器相连。

本发明装置的工作过程如下：

第一步：轴承上端和轴承底部固定在夹具上，夹具与机械手B相连，保证轴承中心与激光器发出的激光束中心重合，然后移动机械手B使到发散透镜B的上方焦距位置与轴承底部的滚道面曲率圆心位置重合。

第二步：摄像头实时监控并计算光斑大小及激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置，并将得到的数据通过信号线输入到控制器，控制器根据所得的激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置判断机械手B是否调整正确，并且控制器控制激光器输出使其满足冲击加工的光斑参数；摄像头固定在机械手A上，用以改变镜头的位置使其能监控到激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置；光斑调整单元中心与激光器发出的光束中心重合；45°全反镜中心与轴承中心重合；会聚透镜的焦距大于发散透镜A的焦距，配合输出截面面积均匀的光束。

第三步：控制器通过镜头的实时观测数据控制激光器和机械手B配合运作使机械手B上的夹具带动轴承绕起轴线做圆周运动，改变处于轴承底部的区域完成局部区域的360°加工。

第四步：控制器通过镜头的实时观测数据控制激光器和机械手B配合运作机械手B上的夹具带动轴承绕轴承底部滚道表面的曲率圆心作圆周运动，与第三步配合完成整个滚道区域的360°加工。

第五步：完成整个滚道区域的激光冲击工作后，激光器停止工作，摄像机停止工作并随机械手A离开观测区域，机械手B带动轴承离开加工区域，取下轴承。

本发明具有有益效果

1.本发明的激光加工滚珠轴承外滚道的装置提供了一种能够用激光加工尺寸较小的不同内径的圆形曲面内壁的方法，即本发明装置可适用于任意内径大小的圆形金属材料内壁的激光冲击加工。

2.本发明使用的发散透镜焦点与滚子轴承滚道截面圆弧圆心重合的方法，使微观光线和加工点区域的法线重合，使光斑能以均匀的功率密度照射在金属的圆弧曲面上，与传统加工方法相比，实现了真正意义上的均匀加工，使被加工的金属表面得到了均匀强化，解决了以往激光加工内壁曲面时强度不均匀的而导致的加工效果不理想的问题。

3.本发明使用的摄像机拍摄加工区域的光斑的方法，能实时监控照射到工件上的光斑大小和位置区域是否达到最优，控制夹具区域的机械手的位置和激光器的功率大小，得到最优的激光冲击参数。

附图说明

图1是激光加工滚珠轴承外滚道的装置的示意图。

图中：1.激光器，2.信号线，3.激光束，4.光斑整形装置，5.控制器，6.会聚透镜，7.光束调整单元，8.发散透镜A，9.机械手A，10.摄像机，11.镜头，12.轴承上端，13.夹具，14.机械手B，15.45°全反镜，16.发散透镜B，17.光斑左侧位置，18.光斑右侧位置，19.轴承底部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步详细说明本发明的技术方案。

实施例

用本发明对国内新型号为16010的深沟球轴承外滚道内壁的激光冲击处理的装置如图1所示，包括：激光器1、信号线2、控制器5、光斑调整单元7、机械手A9、摄像机10、镜头11、夹具13、机械手B14、45°全反镜15，光斑调整单元7包括光斑整形装置4、会聚透镜6、发散透镜A8、发散透镜B16；45°全反镜15位于轴承中心处，与夹具13平面呈45°放置，摄像机10位于轴承侧方上空，镜头11正对激光光斑照射位置，可观测激光光斑左侧位置17和激光光斑右侧位置18，摄像机10与机械手A9相连，发散透镜B16位于45°全反镜15与轴承底部19之间，轴承安装在夹具19上，夹具13竖直放置，与机械手B14相连。

光斑调整单元包括光斑整形装置4、会聚透镜6、发散透镜A8、发散透镜B15；所述光斑整形装置4、会聚透镜6、发散透镜A8从左到右依次放置，45°全反镜15位于轴承中心、发散透镜B16水平放置，和轴承轴线垂直，轴承上端12和轴承底部19安装在夹具13上，机械手B14通过信号线2与控制器5相连，可调整机械手B14的位置来调整激光光斑左侧位置17和激光光斑右侧位置18的范围；控制器5通过信号线控制机械手A9可改变摄像机10的位置使相机镜头11始终能观察激光光斑全貌。

发散透镜B16的上方焦距位置与轴承下方19的滚道面曲率圆心位置重合。通过镜头11的实时监控可调节激光器1和械手B14使光斑左侧位置17和光斑右侧位置18在轴承底部19的功率密度和大小达到最优值。

实施本发明装置的具体工作过程如下：

第一步：轴承上端12和轴承底部19固定在夹具13上，夹具13与机械手B14相连，保证轴承中心与激光器1发出的激光束3中心重合，根据该种轴承的外径50mm移动机械手B14使发散透镜B16的上方焦距位置与轴承底部19的滚道面曲率圆心位置重合。

第二步：摄像头10实时监控并计算光斑大小及激光光斑左侧位置17和激光光斑右侧位置18，并将得到的数据通过信号线2输入到控制器5，控制器5根据所得的激光光斑左侧位置17和激光光斑右侧位置18判断机械手B14是否调整正确，并且控制器5控制激光器1输出使其满足冲击加工的光斑参数；摄像头10固定在机械手A9上，用以改变镜头11的位置使其能监控到激光光斑左侧位置17和激光光斑右侧位置18；光斑调整单元7中心与激光器1发出的光束3中心重合；45°全反镜15中心与轴承中心重合；会聚透镜6的焦距大于发散透镜A8的焦距，配合输出截面面积均匀的光束3。

第三步：控制器5通过镜头11的实时观测数据控制激光器1和机械手B14配合运作使机械手B14上的夹具带动轴承绕起轴线做圆周运动，改变处于轴承底部19的区域完成局部区域的360°加工。

第四步：控制器5通过镜头11的实时观测数据控制激光器1和机械手B13配合运作机械手B13上的夹具带动轴承绕轴承底部19滚道表面的曲率圆心作圆周运动，与第三步配合完成整个滚道区域的360°加工；

第五步：完成整个滚道区域的激光冲击工作后，激光器1停止工作，摄像机10停止工作并随机械手A9离开观测区域，机械手B13带动轴承离开加工区域，取下轴承。

Claims (3)

1.利用一种激光加工滚珠轴承外滚道的装置加工滚珠轴承外滚道的方法，所述装置包括激光器、信号线、控制器、光斑调整单元、机械手A、摄像机、镜头、夹具、机械手B、45°全反镜，光斑调整单元包括光斑整形装置、会聚透镜、发散透镜A、发散透镜B；激光器发出的激光束经光斑整形装置、会聚透镜、发散透镜A、45°全反镜、发散透镜B照射在轴承底部的滚道表面；45°全反镜同时位于轴承中心处，与夹具平面呈45°放置，摄像机位于轴承侧方上空，镜头正对激光光斑照射位置，可观测激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置，摄像机与机械手A相连，发散透镜B位于45°全反镜与轴承底部之间，水平放置，和轴承轴线垂直；轴承安装在夹具上，夹具竖直放置，与机械手B相连；轴承上端和轴承底部安装在夹具上，机械手B通过信号线与控制器相连，可调整机械手B的位置来调整激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置的范围；控制器通过信号线控制机械手A可改变摄像机的位置使镜头始终能观察激光光斑全貌，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：轴承上端和轴承底部固定在夹具上，夹具与机械手B相连，保证轴承中心与激光器发出的激光束中心重合，然后移动机械手B使到发散透镜B的上方焦距位置与轴承底部的滚道面曲率圆心位置重合；

第二步：摄像头实时监控并计算光斑大小及激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置，并将得到的数据通过信号线输入到控制器，控制器根据所得的激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置判断机械手B是否调整正确，并且控制器控制激光器输出使其满足冲击加工的光斑参数；摄像头固定在机械手A上，用以改变镜头的位置使其能监控到激光光斑左侧位置和激光光斑右侧位置；光斑调整单元中心与激光器发出的光束中心重合；45°全反镜中心与轴承中心重合；会聚透镜的焦距大于发散透镜A的焦距，配合输出截面面积均匀的光束；

第三步：控制器通过镜头的实时观测数据控制激光器和机械手B配合运作使机械手B上的夹具带动轴承绕起轴线做圆周运动，改变处于轴承底部的区域完成局部区域的360°加工；

第四步：控制器通过镜头的实时观测数据控制激光器和机械手B配合运作机械手B上的夹具带动轴承绕轴承底部滚道表面的曲率圆心作圆周运动，与第三步配合完成整个滚道区域的360°加工；

第五步：完成整个滚道区域的激光冲击工作后，激光器停止工作，摄像机停止工作并随机械手A离开观测区域，机械手B带动轴承离开加工区域，取下轴承。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发散透镜B的上方焦距位置与轴承底部的滚道面曲率圆心位置重合。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光斑整形装置通过信号线与控制器相连。

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